工業(yè)數(shù)據(jù)信號(hào)采集的選擇

　　在中等速度至高速 ADC 市場(chǎng)上占大多數(shù)的是逐次逼近型寄存器 (SAR) ADC。此類 ADC 的分辨率為 8 位至 18 位，采樣速度則高達(dá) 5Msps。與流水線型 ADC 相比，SAR ADC 可提供較低的功耗、較高的分辨率和準(zhǔn)確度、較小的外形尺寸和零延遲，因此成為眾多應(yīng)用的首選。凌力爾特公司推出了其首款 18 位 SAR ADC LTC2379-18，該器件兼具高分辨率 (18 位)、高速度 (1.6Msps)、高 SNR (101dB) 和低功耗 (18mW)，非常適合于高性能醫(yī)療、工業(yè)及汽車應(yīng)用的要求。

　　適用領(lǐng)域

　　典型的工業(yè)信號(hào)鏈路 (圖 1) 由傳感器 (用于監(jiān)視諸如壓力、溫度、電壓或電流等模擬輸入)、放大器和濾波器 (負(fù)責(zé)對(duì)輸入進(jìn)行放大和濾波)、ADC (用于將重要的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式) 以及數(shù)字信號(hào)處理器或微控制器 (負(fù)責(zé)處理數(shù)字信號(hào)) 組成。高準(zhǔn)確度系統(tǒng)需要使用高分辨率 ADC 來(lái)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行較為精細(xì)的數(shù)字化處理。另外，ADC 還必須要能在盡可能不增加信號(hào)鏈路噪聲的情況下快速完成轉(zhuǎn)換操作。LTC2379-18 的 18 位分辨率可提供系統(tǒng)所需的準(zhǔn)確度和分辨率，并實(shí)現(xiàn)采樣速率高達(dá) 1.6Msps 的高速運(yùn)作。該器件給信號(hào)鏈路帶來(lái)的噪聲或功耗的增加極少，并提供了這些系統(tǒng)所要求的單觸發(fā)轉(zhuǎn)換。

圖1：工業(yè)信號(hào)鏈路

　　LTC2379-18 的獨(dú)特性何在? 是什么使其與市面上的其他同類產(chǎn)品截然不同?

　　LTC2379-18 是凌力爾特公司的首款 18 位 SAR ADC，該器件擁有無(wú)可比擬的 101dB SNR 性能以及突破性的全新數(shù)字增益壓縮功能。在一個(gè)具有 18 位和 16 位分辨率以及 250ksps至高達(dá) 2Msps 速度范圍的高性能 SAR ADC 系列中，LTC2379-18 是旗艦產(chǎn)品。同類競(jìng)爭(zhēng)的 18 位 2Msps SAR ADC 在其最大采樣速率下具有一個(gè)延遲周期，這意味著第一次轉(zhuǎn)換包含無(wú)意義的數(shù)據(jù)且應(yīng)忽略。與 1.6Msps 的 LTC2379-18 相比，它們事實(shí)上是 1.5Msps 無(wú)延遲的 18 位 SAR ADC。無(wú)與倫比的性能

　　LTC2379-18 的 101dB SNR 比最為接近的同類競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品高出 4dB，從而使其成為市場(chǎng)上性能最佳的 18 位 SAR ADC，采樣速率可達(dá) 1.6Msps。高 SNR 為信號(hào)處理鏈路提供了更加寬廣的動(dòng)態(tài)范圍和更大的噪聲裕量，因而有助于放寬系統(tǒng)設(shè)計(jì)限制。圖 2 示出了 LTC2379-18 的 FFT 曲線圖 (工作于 18 位分辨率和 1.6Msps 采樣速率)。該高速 SAR ADC 的極低噪聲層在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中提供了異常出色的靈活性。多個(gè)相互抵觸的因素影響著 ADC 的設(shè)計(jì)，而且通常需要在 ADC 噪聲與速度指標(biāo)之間進(jìn)行權(quán)衡取舍。相比于較高速度的 ADC，速度較低的 ADC 往往能夠保持較低的操作噪聲。LTC2379-18 實(shí)現(xiàn)了高速度和高性能并提升了 SAR ADC 的標(biāo)準(zhǔn)，從而將有助于設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)出先前并不可行的系統(tǒng)。

圖2：LTC2379-18 的 FFT 曲線圖

　　解讀數(shù)字增益壓縮

　　傳統(tǒng)的高分辨率 SAR ADC 信號(hào)鏈路常常要求 ADC 驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行單端輸入至差分輸出的轉(zhuǎn)換，旨在拓展動(dòng)態(tài)范圍。這些 ADC 驅(qū)動(dòng)器由一個(gè)正電源和負(fù)電源來(lái)供電，其中負(fù)電源必需在驅(qū)動(dòng)器中維持優(yōu)良的失真性能，這是因?yàn)檩敵鼍w管需要幾十 mV 的電壓以保持高線性度。負(fù)電源軌不僅消耗功率，而且其產(chǎn)生以及在整個(gè) PCB 上的布線都很麻煩。面對(duì)這些限制條件，具功耗意識(shí)的設(shè)計(jì)一般通過(guò)衰減輸入信號(hào)來(lái)免除驅(qū)動(dòng)器的負(fù)電源。通過(guò)零標(biāo)度和全標(biāo)度代碼的延遲，這些設(shè)計(jì)降低了對(duì) ADC 驅(qū)動(dòng)器放大器的輸出擺幅要求。然而，在諸如控制系統(tǒng)等多種應(yīng)用中，失去在靠近轉(zhuǎn)移函數(shù)邊界的地方生成代碼的能力可能會(huì)帶來(lái)不便，因?yàn)樵撔畔⒖梢允呛苤匾⒂糜跈z測(cè)超出調(diào)節(jié)范圍的狀況。

圖3：數(shù)字增益壓縮功能

　　為了克服上述的基本限制，LTC2379-18系列配備了一種獨(dú)特的數(shù)字增益壓縮 (DGC) 功能。當(dāng)啟用時(shí)，ADC 將執(zhí)行一種數(shù)字定標(biāo)功能，把零標(biāo)度代碼從 0V 變換至 0.1 * VREF，并把全標(biāo)度代碼從 VREF 變換至 0.9 * VREF。對(duì)于 5V 的典型基準(zhǔn)電壓，輸入范圍將為 0.5V 至 4.5V，這為從單 5V 電源來(lái)給驅(qū)動(dòng)放大器供電提供了足夠的空間。如圖 3 所示，DGC 功能允許 ADC 產(chǎn)生包括零標(biāo)度和全標(biāo)度在內(nèi)的所有代碼 (例如：對(duì)于一個(gè) 18 位 ADC，共有218 = 262,144 個(gè)代碼)，同時(shí)降低對(duì) ADC 驅(qū)動(dòng)器放大器的輸出擺幅要求。

　　圖4 示出了一個(gè)完整的信號(hào)鏈路，借助 LTC2379-18 的 DGC 功能，該鏈路可采用5V 至 12V 單電源以 18 位分辨率和 1.6Msps 采樣速率對(duì)一個(gè) ±10V 真正雙極信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理。由于免除了負(fù)電源，因此大幅度地降低了信號(hào)鏈路的總功耗，而輸入擺幅的減小則為大多數(shù) ADC 驅(qū)動(dòng)器提供了足夠的空間。另外，它還減少了組件數(shù)目并簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。此電路在 LTC2379-18 的演示系統(tǒng) DC1783A 中實(shí)現(xiàn)，并獲得了 99dB SNR 和超過(guò) 100dB THD。即使與最接近的 18 位同類競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品相比，其性能仍然高出了 2dB。由于免除了驅(qū)動(dòng)器放大器的負(fù)電源、并能夠保持 ADC 的零標(biāo)度和全標(biāo)度代碼輸出，因而提供了一款適合新式工業(yè)控制系統(tǒng)的獨(dú)特解決方案。

　　圖4：LTC2379-18 采用數(shù)字增益壓縮功能免除了負(fù)電源真正的零功率采樣，低功率耗散：ADC 的總周期包括轉(zhuǎn)換時(shí)間和采集時(shí)間。因此，建議密切關(guān)注采集階段的功率耗散，在該階段中，采集時(shí)間會(huì)持續(xù)幾秒或幾天以等待一個(gè)輸入信號(hào)。LTC2379-18 在采集階段中的功率耗散幾乎為零，從而使其成為一款真正的零功耗采樣器件。零功耗采樣以及功率耗散與采樣速率的線性定標(biāo)使 LTC2379-18 成為一款具有非常低功耗的器件，在 1.6Msps 時(shí)僅為 18mW，而在 250ksps 時(shí)僅為 3.75mW，同時(shí)支持足足 1.6Msps 的操作速率。另外，LTC2379-18 還提供了一種停機(jī)模式，可用于長(zhǎng)時(shí)間的待機(jī)狀態(tài)以最大限度地降低功耗。該停機(jī)模式可將功耗減少至 18μW。對(duì)于要求低功率的應(yīng)用 (包括那些在每塊電路板上使用多個(gè) ADC 的應(yīng)用)，LTC2379-18 的低功率耗散特性是理想的。

　　無(wú)延遲性能：LTC2379-18的真正單觸發(fā)操作和無(wú)最小采樣速率要求可在施加轉(zhuǎn)換起動(dòng)脈沖時(shí)實(shí)現(xiàn)立即轉(zhuǎn)換，且沒(méi)有最小空閑時(shí)鐘要求。這一點(diǎn)對(duì)于諸如 ATE (自動(dòng)測(cè)試設(shè)備) 等應(yīng)用來(lái)說(shuō)是很重要的，在此類應(yīng)用中 ADC 處于等待某個(gè)測(cè)試?yán)痰目臻e狀態(tài)，該測(cè)試?yán)桃?ADC 變至運(yùn)行狀態(tài)并恰好在一個(gè)時(shí)鐘周期之后產(chǎn)生一個(gè)準(zhǔn)確的結(jié)果。

　　小的封裝尺寸：LTC2379-18 系列采用小外形的 3mm x 4mm DFN 封裝和 MSOP-16 封裝，因而可以在許多空間受限的應(yīng)用中使用。

　　用戶友好型數(shù)字接口：LTC2379-18 實(shí)現(xiàn)了1.6Msps 的操作速率和簡(jiǎn)單的串行定時(shí) (采用 SCK 和 SDO)。同類競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品需要精確地控制這些引腳的空閑狀態(tài)以產(chǎn)生特定的控制信號(hào)，而 LTC2379-18 系列則與此不同，它提供了清楚明白的 BUSY、RDL/SDI 和 CHAIN 引腳以簡(jiǎn)化接口，而無(wú)需外部組件。明晰的 CHAIN、RDL/SDI 和 BUSY引腳簡(jiǎn)化了單根 SPI 總線上多個(gè) ADC 的菊鏈?zhǔn)竭B接 (圖 5)。

圖5：菊鏈模式中的 LTC2379-18

　　引腳和軟件兼容型系列

　　LTC2379-18 和 LTC2380-16 代表了一個(gè)完整的引腳和軟件兼容型高性能 18 位和 16 位 SAR ADC 系列。這些 ADC 不僅提供了從 250ksps 至高達(dá) 2Msps 的速度選項(xiàng)，而且還使客戶能夠靈活地實(shí)現(xiàn)從較低速度器件至較高速度的升級(jí) (反之亦然)，而無(wú)需變更其設(shè)計(jì)和軟件。

圖6：完整的 18 位 / 16 位引腳兼容型 SAR ADC 系列